燃料電池轎車水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
燃料電池轎車是以氫為能源的新一代新能源轎車。由于其本身的工作原理與功能結(jié)構(gòu)決定了它有功率較大的發(fā)熱部件。為了保證燃料電池轎車能夠持久、穩(wěn)定、可靠的工作,必須對(duì)發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。為了達(dá)到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗,我們?cè)O(shè)計(jì)了水冷卻監(jiān)控系統(tǒng),其基本實(shí)現(xiàn)思路也可應(yīng)用于傳統(tǒng)轎車。
燃料電池轎車水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)其工作原理如下:通過溫度傳感器和壓力傳感器對(duì)冷卻水溫度和壓力進(jìn)行定時(shí)采樣,進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理獲取當(dāng)前時(shí)刻下的冷卻水溫度和壓力,經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換輸入微控制器,隨著溫度的變化,微控制器對(duì)風(fēng)扇和水泵進(jìn)行調(diào)速,控制冷卻水溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。同時(shí),作為整車CAN 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),本系統(tǒng)通過CAN 總線將當(dāng)前的冷卻水溫度和壓力以及系統(tǒng)狀態(tài)值上傳給整車控制器,并接受來自整車控制器的控制指令。
此外,為了便于實(shí)車調(diào)試,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCP 標(biāo)定協(xié)議(CAN Calibration Protocol),能夠借助整車CAN 網(wǎng)絡(luò)完成在線的參數(shù)標(biāo)定和在線編程,這大大簡化了參數(shù)的標(biāo)定過程和匹配工作,也為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中其他車載控制器的實(shí)車調(diào)試提供了解決方案,具有很高的實(shí)用性和現(xiàn)實(shí)意義。
本系統(tǒng)采用的是摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16 微控制器,該微控制器尺寸小,資源齊全,具有很高的價(jià)格性能比。
2. 設(shè)計(jì)概述
本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩大功能:其一,對(duì)水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制的功能,來實(shí)現(xiàn)最佳的冷卻效果和最低的能源消耗;其二,利用CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的在線參數(shù)標(biāo)定與在線編程功能,減輕實(shí)車調(diào)試的標(biāo)定匹配工作。
對(duì)水冷卻監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)是:通過兩路溫度傳感器和一路壓力傳感器來獲取當(dāng)前狀況下的冷卻水溫度和壓力,經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換輸入微控制器,微控制器通過一定的控制算法輸出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及水泵變頻器,從而控制四個(gè)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以及一個(gè)冷卻水泵的啟停和轉(zhuǎn)速,并通過CAN 與整車控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊,以達(dá)到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗:
實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)標(biāo)定與在線編程功能是:通過在微控制器與PC機(jī)兩側(cè)實(shí)現(xiàn)CCP標(biāo)定協(xié)議,微控制器(MC68HC908GZ16)硬件接口使用其自帶的MSCAN模塊,在軟件上加入CCP驅(qū)動(dòng)程序; PC機(jī)硬件接口使用SYS TEC 公司的USB-CAN卡,并在Matlab軟件平臺(tái)上自主開發(fā)基于CCP協(xié)議的測量標(biāo)定診斷工具(MCD:Measurement Calibration Device),實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定與在線編程。
整個(gè)系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)功能框圖
硬件電路是以MC68HC908GZ16 微控制器為核心,并配以傳感器信號(hào)調(diào)理電路,執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路以及CAN 通訊電路。
微控制器
由于整個(gè)水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)比較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng),系統(tǒng)小但功能全,因此采用摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16 8 位微控制器。該控制器資源齊全,尺寸小,適合整個(gè)水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求以及汽車的運(yùn)行環(huán)境。其主要資源包括:一個(gè)CAN 模塊、一個(gè)SPI 模塊、一個(gè)ESCI 模塊、兩個(gè)雙通道16 位定時(shí)器接口模塊、8 路10 位AD 通道、一個(gè)基本時(shí)鐘模塊、37 個(gè)通用輸入輸出管腳、8 位鍵盤喚醒端口。并且該控制器采用PLL 鎖相環(huán)技術(shù),能夠產(chǎn)生最高8M 的總線頻率。
根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要用到以下資源:一個(gè)CAN 控制器模塊、兩個(gè)定時(shí)器接口模塊、四路AD 通道、一個(gè)基本時(shí)鐘模塊、PLL 鎖相環(huán)模塊以及若干通用IO 輸入輸出口。
微控制器各模塊使用情況如下表1 所示:
表1 MC68HC908GZ16 模塊使用情況
表2 MC68HC908GZ16 端口定義
表3 MC68HC908GZ16存儲(chǔ)器分配情況
傳感器
溫度傳感器采集當(dāng)前時(shí)刻的冷卻水溫度,選用Honeywell公司的TD系列溫度傳感器。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大,并且能夠檢測溫度傳感器的斷路和短路故障。
壓力傳感器采集當(dāng)前時(shí)刻的冷卻水壓力。當(dāng)壓力過高指示水路阻塞故障;壓力過低指示水路泄漏故障。選用Huba公司的511 OEM壓力傳感器,電源8~33V,輸出4~20mA。采用12V電源,并串連240歐采樣電阻,使輸出0.96~4.8V電壓。
執(zhí)行器
冷卻風(fēng)扇通過散熱器對(duì)冷卻水進(jìn)行散熱??偣彩褂盟膫€(gè)冷卻風(fēng)扇,對(duì)稱布置在水冷系統(tǒng)兩側(cè),同側(cè)風(fēng)扇相鄰布置。電機(jī)為直流電機(jī),額定電壓為12V,額定電流為3A。兩側(cè)各一個(gè)風(fēng)扇采用PWM 信號(hào)調(diào)速控制,電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用摩托羅拉公司MC33186。另一風(fēng)扇采用繼電器開關(guān)控制,不進(jìn)行調(diào)速。每側(cè)兩個(gè)風(fēng)扇聯(lián)合工作能實(shí)現(xiàn)全程調(diào)速控制:即首先使用PWM 對(duì)一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速,當(dāng)溫度升高到一定值,PWM 信號(hào)占空比達(dá)到100%時(shí),開啟繼電器使另一風(fēng)扇工作,而本風(fēng)扇關(guān)閉,當(dāng)溫度繼續(xù)升高,則再使用PWM 對(duì)本風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速,此時(shí)兩風(fēng)扇同時(shí)工作但轉(zhuǎn)速不同;當(dāng)溫度下降時(shí),首先減小PWM 信號(hào)占空比使本風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降,當(dāng)占空比減到0%時(shí),關(guān)閉繼電器使另一風(fēng)扇停止工作,同時(shí)將PWM 占空比調(diào)到100%,使本風(fēng)扇滿負(fù)荷工作,若溫度繼續(xù)下降,則繼續(xù)減小PWM 占空比。這樣通過兩個(gè)風(fēng)扇的聯(lián)合工作,達(dá)到全程調(diào)速的目的。
水泵變頻器推動(dòng)冷卻水循環(huán)流動(dòng),從而帶走發(fā)熱部件的熱量。水泵變頻器是Comp-AC 公司的ACS100 變頻器,控制方式采用遠(yuǎn)程3-線型控制,轉(zhuǎn)速控制信號(hào)使用0~20mA 電流信號(hào)。微控制器輸出PWM 信號(hào),進(jìn)行有源濾波,得到直流分量,其后使用AD694 電壓轉(zhuǎn)電流芯片,輸出0~20mA 電流信號(hào)。
通訊網(wǎng)絡(luò)
本系統(tǒng)作為整車分布式控制系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),與其他車載控制器通訊采用CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。本系統(tǒng)接收整車控制器CAN 命令消息進(jìn)行工作,并把系統(tǒng)狀態(tài)量上傳給整車控制器;同時(shí),接收PC 機(jī)CAN 消息進(jìn)行在線標(biāo)定與在線編程。CAN收發(fā)器采用PHILIPS 公司的PCA82C250 收發(fā)器。
電源管理
考慮到系統(tǒng)的抗干擾性,在硬件電路設(shè)計(jì)中對(duì)各器件的電源及接地進(jìn)行如下處理:MC68HC908GZ16 、溫度傳感器電路、壓力傳感器電路、PWM 風(fēng)扇調(diào)速模塊都由12V 蓄電池電源供電,統(tǒng)一共地;水泵調(diào)速模塊(PWM 濾波電路、AD694 電壓轉(zhuǎn)電流電路)的電源由水泵變頻器自身12V 電源提供,與12V 蓄電池不共地,MC68HC908GZ16 的PWM 信號(hào)通過光耦與濾波電路連接;CAN 通訊模塊的電源通過DC/DC 與蓄電池電源隔離,不共地,CANTX 和CANRX 信號(hào)均使用光耦進(jìn)行隔離后輸入PCA82C250。如圖2 所示。
評(píng)論